3.5. Контрольные вопросы

1. Каким образом в транзисторе происходит усиление электрических колебаний по мощности?

2. Объясните статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

3. Почему обратный ток коллектора в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ?

4. Какие физические процессы происходят в транзисторе при его пробое?

5. Как объяснить различие выходных проводимостей транзистора в схеме с ОБ и ОЭ?

Лабораторная работа 4 исследование статических характеристик и параметров полевых транзисторов

4.1. Основные понятия и определения

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем (рис. 4.1).

Среди полевых транзисторов важное место занимают МДП-транзис-торы с индуцированным каналом и полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. Структура МДП-транзистора с индуцированным n-каналом показана на рис. 4.1, а и 4.2.

а			б
Рис. 4.1. Структура: а – МДП-транзистора с индуцированным каналом; б – полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

а

б

в

Рис. 4.2. Изменение формы канала (и области объемного заряда) в МДП-транзисторе при U_ЗИ > U_ЗИ пор: а – U_СИ < U_ЗИ; б – U_СИ ~ U_ЗИ; в – U_СИ > U_ЗИ

В кристалле относительно высокоомного полупроводника (подложке) сформированы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности, к которым изготовляются металлические электроды – исток И и сток С. На поверхности кристалла между истоком и стоком методом термического окисления сформирован тонкий слой диэлектрика (SiO₂), на который нанесен металлический электрод – затвор З. Получается структура, состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, т. е. МДП-структура. В основе работы МДП-транзистора лежит эффект поля. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода стока. При напряжениях на затворе, больших напряжения U_ЗИ пор – порогового напряжения, под действием электрического поля затвора у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой (слой с электропроводностью, противоположной электропроводности подложки). Этот инверсный слой, соединяющий между собой две сильнолегированные области истока и стока, и является проводящим каналом (рис. 4.2). С увеличением напряжения на затворе повышается концентрация носителей заряда в канале, уменьшается его сопротивление и, как следствие, растет ток стока. Так происходит управление током стока в МДП-транзисторе. Поскольку затвор отделен от подложки слоем диэлектрика, ток в цепи затвора мал (нерегулируемый ток утечки), мала и мощность, потребляемая от источника питания в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока, т. е. МДП-транзистор может усиливать электрические сигналы по напряжению и по мощности.

Так как ток затвора из-за наличия диэлектрика практически отсутствует, для описания работы МДП-транзистора используется семейство вольт-амперных характеристик передачи (в биполярном транзисторе – входные ВАХ), а также семейство выходных ВАХ (рис. 4.3).

а	б
Рис. 4.3 ВАХ МДП-транзистора: а – передачи; б – выходные

Статические вольт-амперные характеристики передачи МДП‑тран-зистора – это зависимости тока стока I_С от напряжения на затворе относительно истока U_ЗИ, I_С = f (U_ЗИ), при различных фиксированных напряжениях на стоке U_СИ (рис. 4.3, а). Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U_ЗИ пор.

С ростом напряжения на затворе растет концентрация носителей заряда в канале, следовательно, и ток стока. При большом напряжении на затворе U_ЗИ заряд в канале экранирует влияние затвора на подложку и ток стока I_C практически не увеличивается. Носители заряда в канале движутся под действием напряжения на стоке (дрейф под действием поля в канале), поэтому с увеличением напряжения на стоке растут дрейфовая скорость носителей заряда, а также ток стока. По характеристике передачи можно найти основной параметр, определяющий усилительные свойства прибора – крутизну характеристики передачи S = dI_С/dU_ЗИ при U_СИ = const.

Выходные статические характеристики МДП-транзистора – это зависимости тока стока I_С от напряжения на стоке относительно истока U_СИ, I_С = f (U_СИ), при различных фиксированных напряжениях на затворе U_ЗИ (рис. 4.3, б). При напряжении на затворе, большем порогового, характеристика выходит из начала координат. Вначале она линейна и проходит под углом, соответствующим сопротивлению канала между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора, R_CИ отк = U_СИ/I_C (см. рис. 4.2, а).

а

б

в

Рис. 4.4. Изменение формы канала (и области объемного заряда) в полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом: а – U_СИ = U_ЗИ = 0; б – U_СИ ~ U_ЗИ; в – U_СИ > U_ЗИ

Затем характеристика сублинейна: при увеличении напряжения на стоке канал из-за прохождения по нему тока стока сужается к стоку (становится неэквипотенциальным – см. рис.4.2, б). Сопротивление канала растет, что и является причиной замедленного роста тока стока при возрастании напряжения на стоке. Эту часть характеристики называют крутой частью. При напряжении на стоке U_СИ нас – напряжении насыщения, примерно равном напряжению на затворе, происходит перекрытие канала около стока, ток стока достигает значения тока стока насыщения – I_С нас. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое приращение тока стока (см. рис. 4.2, в), при этом носители экстрагируются из канала полем стокового p-n-перехода. Эту часть характеристики называют пологой. По пологой части характеристики можно определить активную составляющую выходной проводимости транзистора g₂₂ = dI_C/dU_СИ при U_ЗИ = const.

При увеличении напряжения на затворе с возрастанием концентрации носителей заряда в канале при малых напряжениях на стоке увеличивается ток стока (характеристики имеют больший наклон) и возрастает напряжение насыщения, поэтому вся характеристика смещается в область больших токов стока.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показана на рис. 4.1, б и 4.4. В нем канал уже существует, а модуляция сопротивления канала и, следовательно, управление током стока происходят при изменении обратного напряжения на p-n-переходе затвора: изменяются геометрические размеры канала, но не изменяется концентрация носителей в канале (рис. 4.4). С увеличением напряжения на затворе растет толщина p-n-перехода и сужается толщина канала, следовательно, растет сопротивление канала протекающему через него току стока. Поэтому здесь (в отличие от МДП-транзистора) ток стока с ростом напряжения на затворе уменьшается (рис. 4.5, а – ВАХ передачи), и при некотором напряжении U_ЗИ отс – напряжении отсечки – канал полностью перекрывается областью объемного заряда, т. е. сток полностью отсекается от истока.

В этом случае ток стока минимальный, он определяется только током обратно смещенного p-n-перехода. При фиксированном напряжении на затворе (рис. 4.5, б – выходная ВАХ) вначале при малом напряжении на стоке ток стока быстро растет (ВАХ линейна), затем с ростом напряжения на стоке область p-n-перехода расширяется в сторону стока (рис. 4.4, б), что приводит к сужению канала и, следовательно, к росту сопротивления канала и замедлению роста тока стока (участок сублинейный). Это соответствует крутому участку ВАХ. Далее канал, сужаясь, практически не изменяет своей толщины (рис. 4.4, в), и ВАХ переходит в область насыщения – ток стока меняется незначительно (рис. 4.5, б).

а	б
Рис. 4.5. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а – передачи; б – выходные

Таким образом, вид выходной ВАХ совпадает с видом ВАХ МДП-тран-зистора, но при нулевом напряжении на затворе ток стока максимальный. С увеличением напряжения на затворе ток стока уменьшается, и при большем напряжении на затворе (по абсолютному значению) выходная ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (в отличие от МДП-транзистора с индуцированным каналом) смещается в область меньших токов.